Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОПТИКА.
АТОМНАЯ ФИЗИКА
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Специальность 060601.65 (30.05.01) – Медицинская биохимия
Квалификация выпускника – специалист
Ставрополь
2015
УДК 535:539.18 (075.8)
ББК 22.34:22.38 я73
О 62
Печатается по решению
учебно-методического совета
Северо-Кавказского федерального
университета
О 62 Оптика. Атомная физика: лабораторный практикум /
авт.-сост.: М. А. Беджанян, Д. В. Гладких, О. А. Нечаева,
С. А. Куникин. – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2015. – 123 с.
Пособие разработано в соответствии с Федеральным гос-
ударственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. Содержит учебно-методические материалы
для выполнения лабораторных работ, краткое описание математических методов обработки экспериментальных данных контрольные вопросы, образцы отчетной документации, правила техники
безопасности, литературу.
Предназначено для студентов 1–2 курсов специальности
060601.65 (30.05.01) – Медицинская биохимия.
канд. физ.-мат. наук, доцент М. А. Беджанян,
канд. физ.-мат. наук, доцент Д. В. Гладких,
канд. физ.-мат. наук, доцент О. А. Нечаева,
канд. физ.-мат. наук, доцент С. А. Куникин
канд. физ.-мат. наук, доцент А. Р. Закинян,
канд. физ.-мат. наук, доцент О. С. Копылова
УДК 535:539.18 (075.8)
ББК 22.34:22.38 я73
Авторы-составители:
Рецензенты:
© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский
федеральный университет», 2015
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Фундаментальность для медицины – залог ее сегодняшней состоятельности и будущего развития. По-настоящему достичь цели
можно, рассматривая организм как систему систем и идя путем
более углубленного ее физико-химического осмысления.
Современные реалии таковы, что не понимающий основных
физических законов медицинский работник, не сможет грамотно
работать со сложнейшим диагностическим оборудованием, которое используется в практике, а уж тем более с разрабатываемым.
В свою очередь научиться пользоваться приборной базой изучая только теоретические аспекты физики невозможно. Устранить
разрыв между физической теорией и получить навыки работы на
реальных физических приборах, научиться получать и анализировать физическую информацию, призван лабораторный практикум.
Целью освоения дисциплины является формирование общекультурных (ОК-1) и профессиональных (ПК-11, ПК-32) компетенций будущего специалиста.
Задачи изучения дисциплины:
приобретение знаний о методах научного познания приро-
ды; о современной физической картине мира; свойствах вещества
и поля; об основах фундаментальных физических теорий; пространственно-временных закономерностях; динамических и статистических законных природы; элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях; строении и эволюции вселенной;
овладение умениями проводить наблюдения, планировать и
выполнять эксперименты, обрабатывать результаты экспериментов, применять теоретические знания при решении задач;
развитие творческих способностей в процессе решения фи-
зических задач, выполнении экспериментальных заданий, подготовки рефератов, докладов;
воспитание убежденности о необходимости разумного ис-
пользования достижений науки и технологий для дальнейшего
развития общества; отношения к физике как элементу общечеловеческой культуры;
применение знаний по физике для объяснения явлений
природы, принципов работы технических устройств, самостоя-
3
тельного приобретения знаний, использования современных информационных технологий для поиска, переработки и представления информации по физике;
использования приобретенных знаний и умений для реше-
ния задач, возникающих в профессиональной деятельности.
В случае проявления должного внимания пособие позволяет
подготовиться к выполнению лабораторной работы, сдаче теории и
защите полученных экспериментальных результатов и выводов.
4
1
0
1
c
c
n
1
n
1
n
2
n
2
1
1
2
21
c
c
n
n
n
1
2
21
sin
sin
n
n
n
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
1. Определение фокусного расстояния
собирающей линзы
Цель: изучение законов геометрической оптики на примере
преломления света на сферической поверхности; освоение навыков
построения изображений в линзах; измерение фокусного расстояния собирающей линзы.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Законы отражения и преломления света. Отношение ско-
рости распространения света в вакууме к скорости распространения света в данной среде называют абсолютным показателем преломления данной среды:
.
Чем меньше скорость света в данной среде по сравнению со
скоростью света в вакууме (чем больше
плотной считается среда по сравнению с вакуумом.
Если луч света идет из среды с абсолютным показателем пре-
ломления
в среду с абсолютным показателем преломления
то показатель преломления второй среды относительно первой
(относительный показатель преломления) равен:
), тем оптически более
,
. (1.1)
Закон преломления: лучи падающий и преломленный лежат в
одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела двух сред,
восстановленным из точки падения и
, (1.2)
где – угол падения; – угол преломления луча.
5
1
n
2
n
1
n
2
n
1
n
2
n
0
A
1
A
2
n
1
n
0
A
1
A
падающий
отраженный
преломленный
n1 n
2
Если луч идет из среды оптически менее плотной в оптически
более плотную, то
ется от своего начального направления, приближаясь к перпенди-
кулярному, восстановленному из точки падения луча).
Если луч идет из оптически более плотной среды в менее
плотную среду, то
ется от своего начального направления к границе раздела сред).
и (преломленный луч отклоня-
и (преломленный луч отклоня-
Рис. 1.1. Отражение и преломление света на плоской границе
раздела двух сред
Преломление на сферической поверхности. Если две среды
с показателями преломления
и
разделены сферической по-
верхностью, то узкий пучок лучей, выходящий из светящейся точки
, расположенной в первой среде, преломившись на границе
раздела сред, даст ее действительное или мнимое изображение
Пусть
и точка
находится в первой среде на рас-
стоянии d от преломляющей поверхности радиусом R, изображение
получается на расстоянии fот этой поверхности во вто-
рой среде (рис. 1.2).
6
.
,,,
1
RfdMN
21
21
Bnn
MCA
0
)(180180
1
00
M
1
10
MAA
)(180180
21
00
M
21
1 2 1 2
.
n n n n
d f R
Рис. 1.2. Преломление света на сферической поверхности
В случае параксиальных пучков углы
и 2 малы,
поэтому должно быть
, (1.3)
. (1.4)
Из треугольника
т. е.
. (1.5)
Из треугольника
т. е.
. (1.6)
Исключая из уравнений углы, получим связь между d, f и R:
(1.7)
Расстояния d и f от преломляющей поверхности до дей-
ствительных точек в этой формуле нужно брать со знаком «плюс»,
до мнимых – со знаком «минус». Радиус берется со знаком «плюс»,
если лучи, идущие от предмета, падают на выпуклую поверхность;
со знаком «минус» – если лучи падают на вогнутую поверхность.
Формула (1.7) является одной из основных формул геометрической оптики. Применяя ее последовательно для каждой преломляющей поверхности, можно найти положение изображения точки в любой оптической системе. Из этой формулы, в частности, вытекает:
,
,
7
d
1
A
R
nn
n
fF
12
2
R
fndn
12
1
R
2
R
1
R
2
R
1
R
2
R
21
RR
F
D
1
а) если предмет находится в бесконечности (
является задним фокусом сферической преломляющей поверх-
ности. Согласно (1.7) фокусное расстояние преломляющей поверхности равно:
; (1.8)
), то точка
б) при
(преломление происходит на плоской поверхности)
. (1.9)
Линзы. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное
двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы
мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.
Тонкие линзы – двояковыпуклые (радиусы сферических поверхностей
пукло-вогнутые (
и
), плоско-выпуклые (
и
при
и
) и вы-
) – обладают следую-
щими свойствами:
1. Лучи, падающие параллельным пучком на линзу, после пре-
ломления идут сходящимся пучком и пересекаются в одной точке,
называемой фокусом. (Такие линзы, поэтому, называются собирающими.) Геометрическое место фокусов представляет собой плоскость, параллельную плоскости основания шаровых сегментов,
ограничивающих линзу – плоскости линзы. Расстояние между фокальной плоскостью и плоскостью линзы называют фокусным рас-
стоянием F; величину, обратную этому расстоянию, – оптической
силой линзы
.
Фокус, расположенный со стороны лучей, падающих на линзу,
называют передним, фокус, находящийся в пространстве преломленных лучей, называют задним. Точку линзы, через которую лучи
проходят не преломляясь, называют оптическим центом. Прямые,
проходящие через оптический центр, называют оптическими осями. Оптическую ось, проходящую через вершины сферических
поверхностей, ограничивающих линзу, называют главной оптиче-
8
fdF
111
ской осью. Остальные оси, как и лежащие на них фокусы, называют побочными.
2. Лучи, падающие на линзу параллельно какой-нибудь опти-
ческой оси, после преломления проходят через фокус, лежащий на
этой оси.
3. Для тонкой собирающей линзы имеет место формула
(d > 0 и f> 0 – для действительных предметов (то
есть реальных источников света, а не продолжений лучей, сходящихся за линзой) и изображений; d < 0 и f< 0 – для мнимых ис-
точников и изображений).
4. При построении изображения светящейся точки (предмета)
из всего потока лучей, падающих на линзу, выбирают два из следующих четырех характерных лучей:
луч, проходящий через оптический центр линзы. Этот луч
проходит через линзу, не преломляясь;
луч, идущий параллельно какой-либо оптической оси. По-
сле преломления этот луч должен пройти через фокус, лежащий на
этой оптической оси (если светящаяся точка лежит на главной оптической оси, для построения изображения нужно провести побочную оптическую ось) (см. рис. 1.3);
луч, проходящий через передний фокус линзы. В силу об-
ратимости хода лучей такой луч после преломления должен идти
параллельно главной оптической оси;
луч, проходящий через передний двойной фокус линзы. После
преломления этот луч проходит через задний двойной фокус.
Рис. 1.3. Построение изображений в собирающей линзе
9
.
0
Fd
F
d
f
Н
Н
Г
2
2
2
0
Г
d
f
S
S
Г
S
0
S
1
R
2
R
1
R
2
R
1
R
2
R
21
RR
fdF
111
.
0
Fd
F
d
f
Н
Н
Г
Ход этих четырех лучей проследить наиболее просто. Все
остальные лучи, падающие на линзу из светящейся точки (предмета), проходят через линзу так, что попадают в ту же точку (изображение), где пересекаются лучи, с помощью которых сделано построение. Чаще всего при построении используют первые два луча.
5. Линейное увеличение предмета, даваемое собирающей лин-
зой, определяется по формуле:
Площадь S изображения оказывается при этом увеличенной в
число раз, равное
, (1.10)
где
– площадь предмета.
Тонкие двояковогнутые (с радиусом сферических поверхностей
выпуклые линзы (
и
), плоско-вогнутые (
и
при
и
) и вогнуто-
) обладают следующи-
ми основными свойствами:
1. Если лучи падают на линзу параллельным пучком, после
преломления они расходятся так, что их продолжения пересекаются в одной точке, называемой фокусом. Геометрическое место фокусов представляет собой плоскость, параллельную плоскости
линзы. Все фокусы у рассеивающей линзы мнимые, оптические
оси расположены так же, как у собирающих линз.
2. Если лучи падают на рассеивающую линзу параллельно какой-либо оптической оси, то после преломления они идут так, что
своим продолжением попадают в фокус лежащий на этой оси.
3. Для тонкой рассеивающей линзы имеет место формулы:
;
4. При построении изображения точки в рассеивающей линзе
пользуются лучом, идущим параллельно какой-либо оптической
оси (после преломления он своим продолжением проходит через
фокус, лежащий на этой оси), и лучом, проходящим через центр
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]